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Antrieb- und Steuerungsvorrichtung für Schiffe. Die Erfindung bezieht.
sich auf Schiffe, die an Schrauhenpronellern getriebenwerden, auf Luftschiffe und
Flugzeuge sowie auf Gleitboote, d. h. Schiffe, die mit Luftschrauben angetrieben
«-erden, und betrifft im besonderen eine Vorrichtung. die den Antrieb und das Steuern
solcher Kraftfahrzeuge bewirkt.
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Es ist bereits -vorgeschlagen worden, unmittelbar hinter jeder Triebschraube
ein festes Rohr oder einen Tunnel anzubringen,
der an seinem vorderen
Ende offen ist und dort nur von der Schraube verschlossen wird und der auch am hinterer
Ende offen ist und dort durch ein Paar drehbar gelagerte Flügel oder Klappen verschlossen
werden kann, die unabhängig voneinander oder auch zusammen in gielchein oder entgegengesetztem
Sinne bewegt werden können. Lins der theoretischen Ergeunisse einer solchen festen
Röhre oder eines b erstärkers, der sich vom Propeller bis zum hinteren nde erweitert,
ist, den Druck unmittelbar hinter dein 1@ropeller zu verringern und auf diese #N-eise
eine erhöhte Durchnußgeschwindigkeit der durch den Propeller gegangenen hiussigkeit
(Wasser oder Luft) hervorzurufen, wodurch der Propeller in den Stand gesetzt wird,
ohne Kävritation zu erzeugen, mit größerer Geschwindigkeit zu laufen oder mit gleicher
Geschwindigkeit bei größerer SchraurJensteigung.
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Ein Hauptgegenstand vorliegender Erfindung ist es nun, die Geschwindigkeitsenergie
des 1'lüssigkeitsstroines so weit als praktisch vorteilhaft zu benutzen und sie
zu vergrößern, um damit die Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges zu unterstützen. Erreicht
wird dieser Zweck dadurch, daß die vom Propeller bewirkte btrömungsgeschwindigkeit
im Triebrohr in Druck verwandelt wird und dann dieser Druck wieder in Geschwindigkeit,
aber von niederer Ordnung, beim Ausströmen durch eine oder mehrere Verteileröffnungen
von beträchlichem Querschnitt am hinteren Ende des Triebrohres umgesetzt wird. Dieses
Rohr wird also zu einer Druckkammer, die, eine beträchtliche. Menge Flüssigkeit
mit positivem Druck enthält, die sich nach hinten in die äußere, umgebende Flüssigkeit
entlädt und auf ,diese Weise dein festen Rohr und weiter also dein Schiff einen
Vorwärtsantrieb gibt.
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Die Antriebsmittel können demgemäß betrachtet werden als eine Kombination
eines gewöhnlichen Schraubenantriebs finit einem Hilfsantrieb durch Ausströmen des
Wassers. Zur Erreichung des höchsten Wirkungsgrades muß der Querschnitt der hinteren
Öffnung oder Offnungen eine nur wenig größere Ausflußgeschwindigkeit ergeben, als
die Geschwindigkeit des Schiffes in bezug auf die unigebende Flüssigkeit ist. Während
die Druckkammer als Mittel angesehen werden kann, das dazu dient, von der durch
den Propeller erzeugten Geschwindigkeit Energie zu erhalten, die sonst verlorengehen
würde, und diese Energie zur Erzeugung eines Hilfsantriebes benutzt werden kann,
kann die Benutzungsmöglichkeit der Strömungsenergie mit den verschiedenen Arten
der Kraftfahrzeuge wechseln. Im Falle von langsam fahrenden Schiffen wird dieser
Hilfsantrieb annähernd .Null sein, wenn die Steuerflügel ganz geöffnet sind, d.
h. in der Stellung für größte Geschwindigkeit nach vorn. Aber selbst in solchen
Fällen bewirkt die doppelte Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck und Druck wieder
in Geschwindigkeit am Ende des Trieb- oder Verstärkerrohres einen in diesem Teil
höheren Druck als der der Flüssigkeit, die das Ende des Triebrohres umschließt und
eine Art hydraulischer Stabilität ergibt, die das Triebrohr in den Stand setzt,
unter dem Einfluß der verschiedenen relativen Geschwindigkeiten zwischen ihm und
der umgeuendeii F lussigkeit die ihm zugedachte Arbeit zu leisten: Wenn z. L. bei
einem Schiff mit einer Unterwasserschraube die Geschwindigkeit und die rückwärtige
Erweiterung .des Trieb- oder Verstärkerrohres größer sind als nötig, um ein Vakuum
von beispielsweise 3o Fuß Wasser hinter dein Propeller zu schaffen, kann der L;
berfluß an Energie des vom Propeller erzeugten Stromes durch eine größere oder kleinere
Abmessung der Druckkammer oder der hinteren Ausflußöffnung oder -öffnungen aufgefangen
und zum Vorwärtstreiben nutzbar gemacht werden. Bis jedoch ein solches Vakuum erreicht
ist, besteht der Wert der Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck vor dem Ausfließen
am hinteren Ende des Triebrohres hauptsächlich in der stabilisierenden Wirkung.
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Demzufolge kann die vorliegende Erfindung zum Unterschiede von den
bekannten Anordnungen darin erblickt «erden, daß am hinteren Ende des Trieb- oder
Verstärkerrolires eine Druckkammer vorgesehen wird, die dazu dient, den Flüssigkeitsdruck
in der Kamnier so zu erhöhen, daß er größer Ist als der Druck der umgebenden Flüssigkeit,
wenn die Steuerflügel ganz geöffnet sied.
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Die hintere Ausflußöffnung - zum besseren Verständnis der Beschreibung
sei angenoinnien, daß nur ein Schraubenpropeller, ein Ver- i stärkerrohr und eine
hintere öffnung vorhanden ist und claß das Schiff von einer Unterwasserschraube
angetrieben wird - ist zweckmäßig so gebaut, daß das Ausfließen nicht nur gerade
nach achtern, sondern auch l;eliebig weit nach Steuerbord und Backbord erfolgen
kann, um auf diese Weise ein Steuern möglich und ein gewöhnliches Ruderblatt überflüssig
zu machen.
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In der Zeichnung zeigt: Abb. i diagrammartig in Seiten- und Endansicht
ein Trieb- oder Verstärkerrohr und Abb. 2 und 3 Diagramme von Geschwindigkeit und
Druck bei einem Triebrohr nach vorliegender Erfindung.
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In Abb, z zeigen die ausgezogenen Linien ein Triebrohr mit einem Erweiterungsverhältnis
zwischen
_-1 u.id B von 2 zu r. Die punktierten Linien zwischen .#1 und B zeigen Erweiterungsverhältnisse
von 3 zu i und 4,5 zu i. Der Buchstabe .=i gibt die Ebene der größtenGeschwindigkeit
des vom Propeller getriebenen Stromes an, die Buchstaben B die Ebenen, bei denen
die Strömung nach hinten gleich der Vorwärtsgeschviindigkeit des Rohres durch das
Wasser ist, C ist die Ebene größten Druckes, d. h. den größten Querschnitt der Druckkammer,
und D die Ebene der AustltißöYtnung, in der das Wasser aus dem bohr heraustritt.
Der Querschnitt dieser oifnung ist geringer als der (Querschnitt der Ebenen
13, und zwar um einen .tsetrag, der von der (Geschwindigkeit und anderen
isedingungen abhängt.
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Im Geschwindigkeitsdiagramm, Abb. 2, zeigen die Kurven die durch die
Ordinaten angegebenen Geschwindigkeiten an verschiedenen Punkten des Triebrohres
unter verschiedenen Bedingungen der bchiffsgeschwindigheit und des Erweiterungsverhältnisses.
Kurve I gibt die Geschwinaigkeit für ein Boot mit einer Geschwindigkeit von 6 Knoten
und mit einem \ erstärkerrohr, das ein Erweiterungsverhältnis von 3 zu i zwischen
A und B hat und das .in einer Tiefe von 2 Fuß unter dem Wasserspiegel liegt. Die
Kurve I' zeigt die Änderung des Geschwindigkeitsdiagramms, wenn das Erweiterungsverhältnis
von 3 zu i in 4,5 zu z geändert wird. In den Kurven 1I und III haben die Rohre ein
Erweiterungsverhältnis von 2 zu r, Kurve II jedoch gehort zii einem Boot, das mnit
einer Geschwindigkeit von 18 Knoten läuft, während das Boot zu Kurve IH mit
30 Knoten läuft. In beiden Fällen liegt das Triebrohr io Fuß unten dem Wasserspiegel.
Die Auslaßöfinung bei Kurve HI ist so ausgeführt, daß, wie in punktierten Linien
auf Abb. I angegeben, .ihre Größe das Vakuum hinter dem Propeller auf einen praktisch
vorteilhaften Wert verringert.
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Im Druckdiagramm, Abb. 3, wo die Ordinatenden Druck in Fuß angeben,
sind die verschiedenen Kurven mit den gleichen Ziffern bezeichnet wie in den Geschwindigkeitskurven
in Abb. 2. Aus den Kurven in den Abb. 2 und 3 geht demnach hervor, daß die Ausflußöffnung
der Druckkammer am Ende des Verstärkerrohres so weit verengt werden muß, daß mit
dem benutzten Erweiterungsverhältnis des Verstärkerrohres das hinter dem Propeller
unter Einfluß des Verstärkerrohres entstehende Vakuum etwas weniger als io m Wassersäule
beträgt, mit Ausnahme im Falle, des Schiffes mit der Geschwindigkeit von 6 Knoten,
dessen Triebrohr ein Erweiterungsverhältnis von 3 zu i hat, woraus sich ein Vakuum
von etwa 1(3 Atm. ergibt. In diesem Falle hat es sich als notwendig erwiesen, ein
Erweiterungsverhältnis von 4,5 zu i zu benutzen, wein das höchste Vakuum in der
Ebene A aufrechterhalten werden soll.
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In diesen Diagrammen sind nicht berücksichtigt: Die Annäherung der
Flüssigkeit an den 1-intritt des Triebrohres in der hpene .1, hcaraulische oder
Reibungsverluste, die prak-I tische Möglichkeit, dem Wasser vor dem -uropeller höhere
Geschwindigkeiten zu erteilen. iiie Diagramme sollen nur in anschaulicher `'eise
die relative Wirkung des Verteilers und der Druckkaniiner bei verschiedenen Geschwindigkeiten
des Rohres und der Flüssigkeit zeigen. Selbstverständlich, daß jede bekannte Form
einer Eintrittsverengung zum Triebrohr zur Vergrößerung der Triebkraft in Verbindung
mit vorliegender Erfindung benutzt werden kann.
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Verschiedene Formen von Triebrohren gemäß vorliegender Erfindung sind
in den Zeichnungen dargestellt.
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Abb. q. und d.a sind Längsschnitte einer beispielsweisen Ausführungsform,
bei denen die Ausflußöffnungen verschieden gerichtet werden können.
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Abb. 5, 5a und 5;b sind ähnliche Darstellungen einer anderen Ausführungsform,
bei der die Wände der Druckkammer durch Steuerflügel gebildet werden, die in den
verschiedenen Abbildungen in verschiedenen Stellungen dargestellt sind.
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Abb. 6, 6a, 6b und 6c zeigen eine weitere Ausführungsform mit den
Steuerflügeln in verschiedenen Stellungen, wobei in diesem Fall die Flügel Kugelsektoren
anstatt Zylindersektoren sind.
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Abb. 7 ist ein senkrechter Schnitt durch das Heck eines Schiffes,
das mit einem Triebrohr gemäß Abb. 6 ausgerüstet ist.
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Abb. 7a ist ein Querschnitt durch das Rohr zur Veranschaulichung baulicher
Einzelheiten. Abt. 8 ist ein Grundriß zu Abb. 7 zur Veranschaulichung eines Steuergetriebes
zur Bewegung der Flügel.
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Ein Verstärkerrohr mit rundem Querschnitt innen, wo es den Propeller
dicht umgibt, geht in ein Rohr von quadratischem Querschnitt über, und die Seitenteile
des quadratischen Endes (Abb.4 und :4a) sind zu Bogen a, a' geformt, die
einen gemeinsamen Mittelpunkt haben, auf dem ein Zylindersektor b drehbar angeordnet
ist. Die Wand dieses Sektors b ist am vordere:i Ende c weggeschnitten, um eine Öffnung
herzustellen, die nicht kleiner ist als der Querschnitt des quadratischen Teiles
des Verstärkerrohres. In gleicher Weise ist am hinteren Ende cl die Wand weggeschnitten,
um eine Ausflußöffnung von giinstigem Querschnitt herzustellen. Der Zylindersektor
ist um den gemeinsamen Mittelpunkt der Krümmung drehbar mit Hilfe einer
geeigneten
Steuervorrichtung, so daß das Wasser aus der Druckkammer in jeder gewünschten Richtung
ausgelassen werden kann, wie z. B. nach achtern in Abb. d. und nach Backbord in
Abb.4a.
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Wenn es erwünscht sein sollte, das Ausfließen nach jeder Richtung
und in jeder Ebene vor sich gehen zu lassen, wie es zweckmäßig bei Unterseebooten
und Flugzeugen gebraucht wird, dann wird der Endabschnitt des Verstärkerrohres oder
der Druckkammer, d. h. beide Teile, der feste und der bewegliche, als Kugel statt
als Zylinder ausgebildet, wobei dann Mittel vorgesehen sind, die AusflÜßöffnung
so zu drehen, daß der Ausfluß des Wassers in jeder beliebigen Richtung, mit Ausnahme
nach vorn, bewirkt werden kann.
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Statt einer Öffnung von unveränderlichem Querschnitt, wie in den Abb.
q. und q.a, kann der zylindrische oder kugelige Sektor aus zwei Teilen b, und b2
(Abb. 5, 5a und 5b) hergestellt werden. Hierbei sind dann Mittel vorzusehen, um
diese Teile b, und b_ gleichzeitig zu bewegen und außerdem aber weitere Vorrichtungen,
um die Teile zueinander bewegen zu können, um auf diese Weise die Ausflußöffnung
verschieden groß machen zu können.
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In den Abb.5 und 5b sind die Teile b, und b, ganz geöffnet dargestellt;
in Abb. 5 sind sie auf größte Geschwindigkeit voraus eingestellt, in Abb.5b zum
Wenden über Backbord. In Abb.5a sind beide Teile geschlossen für die Bewegung des
Schiffes nach achtern.
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Wenn die Anordnung so getroffen ist, dann ist es zweckmäßig, daß,
wenn die Öffnung bedeutendunter das Maß für größte Triebkraft verkleinert wird,
nach vorn gerichtete öffnungen hergestellt werden, -sie z. B. d,_ und d2 (Abb.5a)
im festen Teil des Verstärkerrohres, durch die das Wasser aus der Druckkammer teilweise
abfließen kann. Mit Hilfe dieser :Mittel wird berechnet, daß, wenn der Propeller
mit voller Kraft vorwärts läuft, das Schiff trotzdem stehenbleibt, oder, wenn dann
die Ausflußöffnung noch länger geschlossen bleibt, das Schiff nach achtern geht.
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Für Steuerzwecke jedoch ist es außer der Hilfsantr.iebswirkung, die
mit der Druckkammer und der hinteren Ausflußöffnung erreicht wird, zweckmäßig, die
beiden zyIin-(Irischen Teile b, und b " die die veränderliche Ausflußöffnung
bilden, urn verschiedene Achsen drehbar zu lagern, z. B. um e, und e" (Abb. 6 bis
8). Diese Achsen e, und e,, sind zueinander und in bezug auf den theoretischen Drehpunkt
der 1:eidenTeile der Kugel so angeordnet, daß, wenn sie mit verkleinerter öffnun:g
nach einer Seite geschwungen werden wie in Abb. 6c, die Richtung des Ausflusses
aus dieser Öffnung b, und die Richtung des Ausflusses aus der nach vorn gerichteten
Öffnung d. in gleichem Sinne auf eine Drehung des Schiffes hinwirken. Das heißt
mit anderen Worten: Wenn die Kugelsegmente zusammen nachBackbord gedreht werden,wie
in Abb.6c, dann ergibt die Stellung ihrer hinteren Enden eine Öffnung bo, die nach
Steuerbord gerichtet ist; ebenso ist es umgekehrt. Bei dieser Ausführung ,ist es
nicht nötig, einen festen Teil der Druckkammer vorzusehen. Die drehbaren Segmente
b, und b2 bilden das Ende der Kammer in Verbindung mit runden Scheibenansätzen f
an den unteren und oberen Wänden des Verstärkerrohres. Obgleich die drehbaren Segmente
b,. und b2 in diesen Abbildungen (6bis8) als Kugelsegmente dargestellt sind, können
sie natürlich auch Zylindersegmente sein.
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Die Verbindung zwischen den vorderen Ecken der zylindrischen oder
kugeligen Segmente und den Seitenwänden des Rohres ist derartig, daß, wenn die Ausflußöffnung
zwischen den hinteren Ecken auf größten Vorwärtstrieb eingestellt ist, wie in Abb.5,
keine Öffnung zwischen den vorderen Ecken und den Rohrwandungen ist. Zweckmäßig
ist es auch, daß jedes Segment, z. B. b, in Abb.5b, ein bestimmtes Stück über die
richtige Öffnung für volle Vorwärtsgeschwindigkeit gedreht werden kann, bevor es
an den Wandungen des Rohres anliegt.
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In der Ausführungsform gemäß Abb.6 tis 6c sind die Kugelsegmente b,
und b2 um verschiedene Mittelpunkte gekrümmt, und zwar um o,_ und o- Sie sind um
die Achsen e,. und e. drehbar exzentrisch gelagert.
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Ein geeigneter Antrieb zum Bewegen der Segmente umfaßt Mittel zum
gleichzeitigen Drehen der Segmente 'in entgegengesetzten Richtungen, um die Ausflußöffnung
zu öffnen oder zu schließen, und Mittel zum gleichzeitigen Drehen in gleicher Richtung.
Die Kupplung des Getriebes ist so eingerichtet, daß sich j jedes Segment weiterdrehen
kann, wenn das andere bereits gegen die festen Wandungen der Druckkammer oder des
Rohres anliegt.
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Ein derartiges Getriebe ist in den Abb. 7 und 8 dargestellt ,in Verbindung
mit gekrümmten, um verschiedene Achsen drehbaren Flügeln b,, und b- Die Achsen e,
und e. dieser Fliigel sind mit Armen f, und f. versehen, die mit ihnen starr verbunden
sind. Die äußeren Enden dieser Arme tragen Wirtelblöcke g, und g_, in denen Stangen
1a, und 1a, gleiten können. Zwischen den Blöcken g, und g2. und Muttern i, und i"
an den hintersten Enden der Stangen sind Federn i eingeschaltet, die in gewöh-ilicher
Stellung gespannt sind. Die vorderen Enden sind mit einem Schraubblock oder einer
Mutter j gelenkig verbunden, die
mit Hilfe eines Handrades jo, das
eine im Block 1, gelagerte Spindel dreht, hin und her bewegt werden kann.
Der Block k ist um einen Zapfen k, drehbar, der mit den Stangen lt., und h2 durch
Gelenke k, und k2 verbunden ist.
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Wenn in der Stellung der Teile gemäß A.bb.8 der Block k nach Backbord
gedreht wird, stößt ein Anschlag oder Bund 1,. auf der Stange h,, gegen den Wirbelblock
g und dadurch gegen das äußere Ende des Armes f1. Infolgedessen wird die Achse e,,
in dem der Uhrzeigerdrehung entgegengesetzten Sinne gedreht. Die Achse e2 wird durch
die Feder i
auf der Stange h2 ebenfalls in dein der Uhrzeigerbewegung entgegengesetzten
Sinne gedreht. Die gekrümmten Flügel werden auf diese «'eise nach Steuerbord gedreht.
Es ist wohl deutlich zu erkennen, daß, nachdem die vordere Ecke des Flügels b".
durch Berührung mit der Wand des Verstärkerrohres angehalten wurde, die Nachgiebigkeit
der Feder oder der Stange h2 dem Flügel bl gestattet, seine Drehbewegung nach Steuerbord
fortzusetzen. Die Betätigung des Handrades j, dreht die Achsen e,. und e1 @in entgegengesetzter
Richtung, und auf diese Weise öffnen oder schließen sich die hinteren Ecken der
Flügel in bezug zueinander.
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Das Trieb- oder Verstärkerrohr gemäß den Abb. 6 bis 8 hat eine Bohrung,
die sich nach beiden Seiten, sowohl nach vorn als auch nach hinten zu von der Ebene
der größten Zusammenziehung aus erweitert. In der Ebene der größten Zusammenziehung
oder unmittelbar davor ist der Propeller angeordnet. Der Ouerschnitt der Bohrung
des Rohres im mittleren Teil ist rund und verläuft nach vorn und hinten in Teile
mit quadratischem Ouerschnitt. Der hintere Abschnitt des Rohres ist quadratisch,
um mit den drehbaren Flügeln gut zusammenarbeiten zu können. Der vordere Teil ist
zweckmäßig quadratisch, um einfach und bequem die unregelmäßige Form des Rohres
zwischen die ebenen Platten bringen zu können, wie es deutlich aus Abb.7a zu sehen
ist. Es werden nämlich Rippen zwischen das Rohr und die Platten gebracht, was einfach
auszuführen ist. Selbstverständlich können Verstärkerrohr, Druckkammer und Ausflußöffnung,
wie sie hier beschrieben sind, in mancher Hinsicht geändert werden, um dann noch
immer zu der Erfindung zu gehören. Diese Erfindung kann angesehen werden als eine
Unterwasserzentrifugal- oder Schraubenpumpe, die einen Antrieb mit einem unausgeglichenen
Druck beim Arbeiten in freiem Wasser hat, und mit einer Druckkammer, deren Inhalt
in den niedrigeren Druck .der umgebenden Flüssigkeit abfließt.